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DE69222884T2 - Heterobifunctional antibodies with both catalytic properties and specific antigen binding properties and methods of using them - Google Patents

Heterobifunctional antibodies with both catalytic properties and specific antigen binding properties and methods of using them

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DE69222884T2
DE69222884T2 DE69222884T DE69222884T DE69222884T2 DE 69222884 T2 DE69222884 T2 DE 69222884T2 DE 69222884 T DE69222884 T DE 69222884T DE 69222884 T DE69222884 T DE 69222884T DE 69222884 T2 DE69222884 T2 DE 69222884T2
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antibody
catalytic
antigen
heterobifunctional
substrate
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Karel Newman
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Pasteur Sanofi Diagnostics SA
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Abstract

A novel and useful class of antibody molecules is described which possess the characteristics of an antigen-specific antibody and a catalytic antibody. Such a hybrid molecule may be assembled in vitro using biochemical means or using in vivo methods including cell hybridization, or recombinant DNA technologies. The product of the invention possesses both antigen target specificity as well as an intrinsic catalytic activity. Further said product may be used in any appropriate application including diagnostic test as a substitute for an enzyme-labelled antibody conjugate or as a therapeutic reagent whereby a part of the antibody molecule recognizes a unique cellular marker and the catalytic portion of antibody molecule has therepeutic activity.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Diese Erfindung betrifft bifunktionelle Antikörper mit sowohl katalytischer Aktivität als auch Antigenbindungsspezifität und Verfahren zur Verwendung solcher Antikörper.This invention relates to bifunctional antibodies having both catalytic activity and antigen binding specificity and to methods of using such antibodies.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Polyclonale Antikörper sind für ihre verschiedenen Spezifitätsbereiche bekannt.Polyclonal antibodies are known for their different specificity ranges.

Im Jahr 1975 veröffentlichten Kohler und Milstein eine Strategie zur Immortalisierung lymphozytärer Zellinien (v.v. Hybridome), welche durch ihre Fähigkeit, monoclonale Antikörper mit einzigartigen Antigenspezifitäten zu produzieren, gekennzeichnet sind. Seit dieser Entwicklung wurden unzählige Hybridome mit Spezifitäten gegen eine genauso große Anzahl von Antigenen entwickelt. Einige Beispiele der von monoclonalen Antikörpern erkannten Molekülarten umfassen Kohlenhydrate, Aminosäuresequenzen, Nucleinsäuren, Konformationsmerkmale von Molekülen und anorganische Seitengruppen.In 1975, Kohler and Milstein published a strategy for immortalizing lymphocytic cell lines (i.e. hybridomas), which are characterized by their ability to produce monoclonal antibodies with unique antigen specificities. Since this development, countless hybridomas have been developed with specificities against an equally large number of antigens. Some examples of the types of molecules recognized by monoclonal antibodies include carbohydrates, amino acid sequences, nucleic acids, conformational features of molecules, and inorganic side groups.

Antikörper haben bestimmte Eigenschaften mit einer als Enzyme bekannten, katalytischen Klasse von Biomolekülen gemeinsam. Sowohl Antikörper als auch Enzyme sind proteinähnlich, besitzen eine Bindungsspalte für einen entsprechenden Liganden und weisen einen hohen Spezifitätsgrad für ihre jeweiligen Zielmoleküle auf die Bindungsspalte eines Enzyms sieht eine Anordnung funktioneller Gruppen vor, um eine spezifische chemische Transformation der gebundenen Liganden zu katalysieren.Antibodies share certain properties with a catalytic class of biomolecules known as enzymes. Both antibodies and enzymes are protein-like, have a binding cleft for a corresponding ligand, and exhibit a high degree of specificity for their respective target molecules. The binding cleft of an enzyme provides an arrangement of functional groups to catalyze a specific chemical transformation of the bound ligands.

Im Jahr 1975 versuchten Raso und Stollar Antikörper zu erzeugen, die spezifisch Analoge des Zwischenprodukts, welches bei enzymatischen und nicht-enzymatischen Pyridoxalphosphat-Katalysen beteiligt ist, stabil binden. Obwohl sie bei der Herstellung solcher Antikörper erfolgreich waren, berichteten sie nichts über eine katalytische Aktivität (Raso J. und Stollar B.D., "The Antibody-Enzyme Analogy. Characterization of Antibodies to Phosphopyridoxyltyrosine Derivates", Biochemistry, Bd. 14 (1975), 584- 591).In 1975, Raso and Stollar attempted to generate antibodies that specifically bind analogues of the intermediate involved in enzymatic and non-enzymatic pyridoxal phosphate catalysis. Although they were successful in generating such antibodies, they did not report any catalytic activity (Raso J. and Stollar B.D., "The Antibody-Enzyme Analogy. Characterization of Antibodies to Phosphopyridoxyltyrosine Derivates", Biochemistry, vol. 14 (1975), 584-591).

Trannontano und Lemer wendeten in der Mitte der 80iger Jahre die Hybridom- Technik an, um einen Antikörpers zu selektieren, welcher die Übergangszustandsform eines Substrat erkennen kann. Wie im US-Patent 4,900,674 beschrieben, verwendeten Tramontano et al. ein synthetisches Phosphonatanalog, welches der mutmaßlichen Übergangszustandsform eines Amid- oder Esterproduktes ähnlich ist, um monoclonale Antikörper zu entwickeln und zu identifizieren, die das Phosphonat-Substratanalog erkannten und zufällig die Bildung oder die Spaltung des entsprechenden Carbonylesters oder -amids katalysierten.Trannontano and Lemer used the hybridoma technique in the mid-1980s to select an antibody that could recognize the transition state form of a substrate. As described in US Patent 4,900,674, Tramontano et al. used a synthetic phosphonate analogue that matched the putative transition state form an amide or ester product to develop and identify monoclonal antibodies that recognized the phosphonate substrate analogue and coincidentally catalyzed the formation or cleavage of the corresponding carbonyl ester or amide.

Seitdem wurden andere katalytische monoclonale Antikörper entwickelt. Beispielsweise wurden Antikörper mit spezifischen katalytischen Aktivitäten gefunden, welche solche Aktivitäten wie Lactonzyklisierung, Amidspaltung und Acylgruppentransfer umfassen.Since then, other catalytic monoclonal antibodies have been developed. For example, antibodies with specific catalytic activities have been found, which include such activities as lactone cyclization, amide cleavage, and acyl group transfer.

Ein jeder dieser katalytischen Antikörper wurde unter Verwendung eines Analogs entwickelt, welches der mutmaßlichen Übergangszustandsform eines Antigens oder Haptens ähnlich ist, um den gewunschten Antikörper zu entwickeln und zu identifizieren. In jedem Fall wurden Antikörper entwickelt, die an das immunisierende Hapten oder Antigen spezifisch banden, wobei ein Antikörper erzeugt wurde, welcher wirklich katalytische Eigenschaften aufwies; v.v. Lerner et al., Science 252 (1991), 659-667.Each of these catalytic antibodies was developed using an analogue similar to the putative transition state form of an antigen or hapten to develop and identify the desired antibody. In each case, antibodies were developed that specifically bound to the immunizing hapten or antigen, generating an antibody that had truly catalytic properties; see Lerner et al., Science 252 (1991), 659-667.

Studien zeigen, daß solche Antikörper Enzymeigenschaften aufiveisen: die katalytische Umsetzung folgt den Prinzipien der Michaelis-Menton-Kinetik; die Antikörper werden bei der Umsetzung nicht verbraucht; die Antikörper zeigen eine charakteristische konstante Umsatzrate und die Umsetzung kann mit dem ursprünglichen Immunogen oder einem Analog hiervon inhibiert werden.Studies show that such antibodies exhibit enzyme properties: the catalytic conversion follows the principles of Michaelis-Menton kinetics; the antibodies are not consumed during the conversion; the antibodies show a characteristic constant turnover rate and the conversion can be inhibited with the original immunogen or an analogue thereof.

Der Begriff "Abzym" wurde geprägt, um ein Antikörpermolekül mit einer solchen katalytischen Aktivität als inneren Teil des Moleküls zu bezeichnen; vgl. Jarda et al., Science 241(1988), 1188-1191. Dieser Begriff wird in dieser Beschreibung zur Beschreibung solcher Antikörpermoleküle verwendet.The term "abzyme" was coined to designate an antibody molecule with such catalytic activity as an internal part of the molecule; see Jarda et al., Science 241(1988), 1188-1191. This term is used in this specification to describe such antibody molecules.

Durch Fortschritte bei der Hybridom-Technik wurde vor kurzem ein anderer Antikörpermolekültyp entwickelt. Das US-Patent 4,474,893 beschreibt Verfahren zur Herstellung von Antikörpern, welche Bindungsaffinitäten für zwei verschiedene Antigene aufweisen. Antikörper dieses Typs wurden durch die Fusion von Hybridomen, welche monoclonale Antikörper mit einer Bindungsspezifität für ein Antigen sezernieren, mit Hybridomen oder Lymphocyten, die Antikörper mit einer Bindungsspezifität ffir ein anderes Antigen erzeugen, erhalten. Die fusionierten Zellen, bezeichnet als Quadrom bzw. Triom, produzieren Antikörpermoleküle, von denen 10 bis 50% eine Bindungsspezifität für beide Antigene aufweisen; vgl. Reading C. in Hybridomas and Cellular Immortality, Plenum Press (1981), 235-250, bzw. Milstein C. und Cuello A.C. in Immunology Today (1984), 29.Advances in hybridoma technology have recently led to the development of another type of antibody molecule. US Patent 4,474,893 describes methods for producing antibodies that have binding affinities for two different antigens. Antibodies of this type have been obtained by fusing hybridomas, which secrete monoclonal antibodies with binding specificity for one antigen, with hybridomas or lymphocytes that produce antibodies with binding specificity for another antigen. The fused cells, referred to as quadroma or trioma, produce antibody molecules of which 10 to 50% have binding specificity for both antigens; see Reading C. in Hybridomas and Cellular Immortality, Plenum Press (1981), 235-250, and Milstein C. and Cuello A.C. in Immunology Today (1984), 29.

Antikörper mit Bindungseigenschaften für zwei Antigene wurden als heterobifunktionelle Antikörper bezeichnet. Solche Antikörper wurden auch unter Verwendung chemisch dissoziierter Antikörperhälften, gefolgt von der Reassoziation unter Verwendung chemischer Vemetzungsmittel, erhalten.Antibodies with binding properties for two antigens were called heterobifunctional antibodies. Such antibodies were also obtained using chemically dissociated antibody halves followed by reassociation using chemical cross-linking agents.

Heterobifunktionelle Antikörper wurden von Forschern entwickelt, die versuchten, ein Vehikel für die Verabreichung von Arzneimitteln zu entwickeln. Es wurde insbesondere in Betracht gezogen, daß eine für eine Zielzelle spezifische Antikörperhälfte, welche mit einer für ein Toxin spezifischen Antikörperhälfte gepaart ist, ein nützliches Vehikel für die Verabreichung eines toxischen Moleküls an eine Zielzelle sein könnte. Heterobifunktionelle Antikörper wurden auch als Reagentien in Diagnoseassays verwendet. Zum Beispiel entwickelten Takashi und Fuller, Clin. Chem. 34 (1988), 1693, ein Empfindlichkeitsassay auf menschliches Choriongonadotropin, und Gorog et al., J. Immun. Meth. 123, Nr.131(1989), entwickelten unter Verwendung heterobifunktioneller Antikörper mit einer spezifischen Bindungsaffinität für sowohl ein Enzym als auch ein Antigen ein Homogenitätsassay für das carcinoembryonale Antigen (CEA). Die heterobifunktionellen Antikörper wurden anstelle eines Antikörper-Enzym-Konjugats verwendet.Heterobifunctional antibodies have been developed by researchers attempting to develop a vehicle for drug delivery. In particular, it was considered that an antibody moiety specific for a target cell paired with an antibody moiety specific for a toxin might be a useful vehicle for delivery of a toxic molecule to a target cell. Heterobifunctional antibodies have also been used as reagents in diagnostic assays. For example, Takashi and Fuller, Clin. Chem. 34 (1988), 1693, developed a sensitivity assay for human chorionic gonadotropin, and Gorog et al., J. Immun. Meth. 123, no. 131 (1989), developed a homogeneity assay for carcinoembryonic antigen (CEA) using heterobifunctional antibodies with a specific binding affinity for both an enzyme and an antigen. The heterobifunctional antibodies were used instead of an antibody-enzyme conjugate.

Verfahren zur Clonierung und Modifizierung der funktionellen Regionen von Abzymen und antigenspezifischen Bindungsregionen wurden beschrieben. Iverson et al., Cold Spring Harbor Symp. 56, Nr.273 (1989), beschrieben ein Verfahren zur Konstruktion eines Expressionsvektors zur Expression von Abzymen und ein Verfahren zur Expression der Vl- und Vh-Domänen eines Antikörpers.Methods for cloning and modifying the functional regions of abzymes and antigen-specific binding regions have been described. Iverson et al., Cold Spring Harbor Symp. 56, no. 273 (1989), described a method for constructing an expression vector for expression of abzymes and a method for expressing the Vl and Vh domains of an antibody.

Trotz der Fortschritte bei der Entwicklung neuer Antikörper ist eine Weiterentwicklung wünschenswert. Insbesondere zeigen Studien mit in Diagnoseassays verwendeten herkömmlichen Enzym-Antikörper-Konjugaten, daß die Molekülgröße des Komplexes den Diffusionskoeffizienten in Lösung und daher die Geschwindigkeit der assoziativen immunologischen Reaktion beeinflußt.Despite the progress in the development of new antibodies, further development is desirable. In particular, studies with conventional enzyme-antibody conjugates used in diagnostic assays show that the molecular size of the complex influences the diffusion coefficient in solution and therefore the speed of the associative immunological reaction.

Herkömmliche Enzym-Antikörper-Konjugate werden hergestellt, indem reaktive Gruppen in sowohl den Antikörper als auch das Enzym, üblicherweise 2-5 Gruppen pro Molekül, eingeführt werden. Wegen der Zahl der reaktiven Gruppen sind Mehrfachbindungen und eine Aggregatbildung möglich. Obwohl die Bedingungen so optimiert werden, daß die Aggregation auf ein Minimum beschränkt wird, liegt auch immer eine variable Anzahl hochmolekulargewichtiger Verbindungen vor. Außerdem werden die herkömmlichen Enzym-Antikörper-Konjugate nicht ohne weiteres in einem genauen 1: 1-Verhältnis von katalytischen Funktionalitäten und Bindungsfunktionalitäten hergestellt, wodurch die Wirksamkeit der Konjugatleistung verringert wird.Conventional enzyme-antibody conjugates are prepared by introducing reactive groups into both the antibody and the enzyme, typically 2-5 groups per molecule. Due to the number of reactive groups, multiple bonding and aggregate formation are possible. Although conditions are optimized to minimize aggregation, a variable number of high molecular weight compounds are always present. In addition, conventional enzyme-antibody conjugates are not readily prepared in an exact 1:1 ratio of catalytic functionalities and binding functionalities, thereby reducing the effectiveness of the conjugate performance.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die Erfindung betrifft Antikörper, welche wirklich sowohl eine katalytische Funktion als auch eine Antigenspezifität besitzen. Jeder derartige Antikörper, welcher flir diese Beschreibung als "heterobifunktioneller, katalytischer Antikörper (HCAb)" bezeichnet werden soll, weist einen ersten F(ab)-Anteil auf, wobei die variable Domäne hiervon eine innere katalytische Aktivität für ein Substrat zeigt, und ein zweiter F(ab)-Anteil, die variable Domäne hiervon, für ein Antigen, welches von dem Substrat verschieden ist, immunologisch spezifisch ist. Ein Vorteil solcher als Reagentien in diagnostischen Immunassays oder als therapeutische Moleküle verwendeten Antikörper ist ihr niedriges Molekulargewicht. Ein HCAb wäre frei von dem überschüssigen Molekulargewicht eines damit verkhüpften Enzyms; ferner könnte das Molekulargewicht zum Beispiel während der Erzeugung von F(ab)&sub2;-Hybriden weiter verringert werden, und nachstehend bezeichnet der Begriff "HCAb" vollständige Antikörper oder aktive Fragmente hiervon.The invention relates to antibodies which actually possess both a catalytic function and an antigen specificity. Each such antibody, which shall be referred to for this specification as a "heterobifunctional catalytic antibody (HCAb)", comprises a first F(ab) portion, the variable domain of which exhibits intrinsic catalytic activity for a substrate, and a second F(ab) portion, the variable domain of which, for an antigen different from the substrate. is immunologically specific. An advantage of such antibodies used as reagents in diagnostic immunoassays or as therapeutic molecules is their low molecular weight. An HCAb would be free of the excess molecular weight of an enzyme linked to it; furthermore, the molecular weight could be further reduced, for example during the generation of F(ab)₂ hybrids, and hereinafter the term "HCAb" refers to complete antibodies or active fragments thereof.

Beispielsweise weist ein 1:1 -Konjugat von IgG (Mol.gew. 160.000) und alkalischer Phosphatase (Mol.gew. 140.000) ein Molekulargewicht von etwa 300.000 auf. Ein intakter erfindungsgemäßer HCAb, welcher die Fähigkeit, mit einem Substrat in der gleichen Weise wie alkalische Phosphatase zu reagieren, und die Fähigkeit, an ein Antigen zu binden, aufweist, würde ein Molekulargewicht von etwa 160.000 aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführüngsform kann das Molekulargewicht des HCAb durch die Erzeugung eines F(ab)&sub2;-Hybriden weiter verringert werden.For example, a 1:1 conjugate of IgG (mol. wt. 160,000) and alkaline phosphatase (mol. wt. 140,000) has a molecular weight of about 300,000. An intact HCAb of the invention, which has the ability to react with a substrate in the same manner as alkaline phosphatase and the ability to bind to an antigen, would have a molecular weight of about 160,000. According to a preferred embodiment, the molecular weight of the HCAb can be further reduced by the creation of an F(ab)2 hybrid.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein HCAb direkt hergestellt, wodurch das zur Herstellung eines Enzym-Antikörper-Standardkonjugats erforderliche Mehrstufenverfahren umgangen wird. Wie vorstehend diskutiert, werden herkömmliche Enzym-Antikörper-Konjugate unter Anwendung eines Verfahrens hergestellt, das zu einer Aggregatbildung in einer variablen Menge führt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein HCAb durch die Erzeugung von Bindungen zwischen Sulfhydrylgruppen in zwei verschiedenen Fab-Fragmente chemisch hergestellt, wobei ein Fab-Fragment innere katalytische Eigenschaften aufweist, und das andere Fab-Fragment die Fähigkeit besitzt, ein Antigen spezifisch zu binden. Folglich begünstigen die Bedingungen sehr die Bildung eines HCAb mit einem 1:1-Verhältnis.According to one embodiment of the invention, an HCAb is prepared directly, thereby bypassing the multi-step process required to prepare a standard enzyme-antibody conjugate. As discussed above, conventional enzyme-antibody conjugates are prepared using a process that results in aggregate formation in a variable amount. According to one embodiment of the invention, an HCAb is chemically prepared by creating bonds between sulfhydryl groups in two different Fab fragments, one Fab fragment having intrinsic catalytic properties and the other Fab fragment having the ability to specifically bind an antigen. Thus, conditions are highly favorable for the formation of an HCAb with a 1:1 ratio.

Eine andere Ausführungsform dieser Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von HCAbs durch die Hybridisierung eines katalytischen Antikörpers (Abzym) mit einem antigenspezifischen Antikörper, welcher vorzugsweise ein monoclonaler Antikörper ist. Die Produkte dieser Hybridisierung weisen ein Molekulargewicht auf, welches dem der Ausgangsmoleküle entspricht, wobei sie noch die Aktivitäten beider Ausgangsmoleküle besitzen.Another embodiment of this invention relates to methods for producing HCAbs by hybridizing a catalytic antibody (abzyme) with an antigen-specific antibody, which is preferably a monoclonal antibody. The products of this hybridization have a molecular weight corresponding to that of the starting molecules, while still possessing the activities of both starting molecules.

Diese Erfindung schließt die Verwendung solcher HCAbs in empfindlichen Immunassays zum Nachweis eines bestimmten Analyts ein.This invention includes the use of such HCAbs in sensitive immunoassays for the detection of a particular analyte.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden erfindungsgemäße HCAbs hergestellt, welche die Fähigkeit, spezifisch an einen Analyt zu binden, der in einem Immunassay nachgewiesen wird. und eine innere katalytische Fähigkeit auf ein Substrat einzuwirken, wobei ein nachweisbares Signal erzeugt wird. aufweisen. Die erfindungsgemäßen HCAbs können Enzym-Antikörper-Konjugate ersetzen, welche überwiegend in Immunassays verwendet werden. Zum Beispiel weisen HCAbs eine katalytische Domäne mit einer Phosphataseaktivität auf sowie die Fähigkeit. spezifisch an einen Tumormarker, einen Wirkstoff wie Theophyllin, Hormone wie TSH, T4 und Progesteron, Vitamine wie B12, und jeden anderen Analyt, für den monoclonale Antikörper verfügbar sind, zu binden.According to a preferred embodiment of the invention, HCAbs of the invention are produced which have the ability to specifically bind to an analyte detected in an immunoassay and an intrinsic catalytic ability to act on a substrate to generate a detectable signal. The HCAbs of the invention can replace enzyme-antibody conjugates which are predominantly used in immunoassays. For example, HCAbs have a catalytic domain with a phosphatase activity and the ability to specifically bind to a tumor marker, an active substance such as theophylline, hormones such as TSH, T4 and progesterone. Vitamins such as B12, and any other analyte for which monoclonal antibodies are available.

Diese Erfindung betrifft auch Diagnose-Kits zum Nachweis eines Antigens in Proben, umfassend eine vorherbestimmte Menge eines HCAb, welcher spezifisch an das Antigen in einer Menge bindet, die mit der Menge des Antigens in der Probe und dem Substrat, gegenüber dem der Antikörper eine katalytische Aktivität zeigt, in Beziehung steht, so daß das umgewandelte Substrat nachweisbar oder meßbar ist. Der Kit umfaßt auch vorzugsweise einen festen Träger, an das der HCAb direkt oder indirekt gebunden wurde.This invention also relates to diagnostic kits for detecting an antigen in samples comprising a predetermined amount of an HCAb which specifically binds to the antigen in an amount related to the amount of antigen in the sample and the substrate to which the antibody exhibits catalytic activity, such that the converted substrate is detectable or measurable. The kit also preferably comprises a solid support to which the HCAb has been directly or indirectly bound.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein HCAb hergestellt, der spezifisch an einen einzigartigen zellulären Tumormarker bindet und eine katalytische Aktivität aufweist, die für diese Zelle toxisch ist, und beim Nachweis der Arzneimittelvorstufenaktivierung verwendet wird.According to another embodiment of the invention, an HCAb is prepared that specifically binds to a unique cellular tumor marker and has a catalytic activity that is toxic to that cell and is used in the detection of prodrug activation.

Kurze Beschreibung der FigurenShort description of the characters

Figur 1 zeigt ein Expressionssystem zur Herstellung eines erfindungsgemäßen heterobifunktionellen, katalytischen Antikörpers in einer Wirtszelle.Figure 1 shows an expression system for producing a heterobifunctional, catalytic antibody according to the invention in a host cell.

Figur 2 zeigt ein Sephacryl -Größenausschlußsäulenprofil des Hybrids F(ab')&sub2; (MOPC 167 x 9-49, vgl. das nachstehende Beispiel 2).Figure 2 shows a Sephacryl size exclusion column profile of the hybrid F(ab')₂ (MOPC 167 x 9-49, see Example 2 below).

Figur 3 zeigt die Katalyse von p-Nitrophenylcarbonylcholin durch den erfindungsgemäßen heterobifunktionellen, katalytischen Antikörper, wenn er gleichzeitig mit an Teilchen immobilisiertem Theophyllin assoziiert ist (vgl. das nachstehende Beispiel 4).Figure 3 shows the catalysis of p-nitrophenylcarbonylcholine by the heterobifunctional catalytic antibody of the invention when it is simultaneously associated with theophylline immobilized on particles (see Example 4 below).

Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Erfindungsgemäße HCAbs können durch mehrere verschiedene Verfahren, wie die selektive Reduzierung und Reassoziation von zwei verschiedenen Antikörpermolekülen oder durch Hybridisierung von zwei verschiedenen Hybridomen, erhalten werden. Gentechnische Verfahren können ebenfalls angewendet werden. Die Gewinnausbeute variiert mit dem Verfahren und den verwendeten Ausgangsmaterialien.HCAbs of the invention can be obtained by several different methods, such as the selective reduction and reassociation of two different antibody molecules or by hybridization of two different hybridomas. Genetic engineering techniques can also be used. The yield varies with the method and the starting materials used.

Unkonventionelle Verfahren, wie gentechnische Verfahren, wobei die komplementären Paarungsbereiche innerhalb der variablen Regionen eines Antikörpermoleküls konstruiert werden, um HCAbs mit einer gewünschten katalytischen Aktivität und mit der Fähigkeit, spezifisch an ein gewünschtes Antigen zu binden, zu produzieren, sind geeignet, um die Aneinanderlagerungseffizienz zu verbessern.Unconventional methods, such as genetic engineering techniques, where the complementary pairing regions within the variable regions of an antibody molecule are engineered to produce HCAbs with a desired catalytic activity and with the ability to specifically bind to a desired antigen, are suitable to improve the annealing efficiency.

Gemäß einer Ausführungsform werden die HCAbs von Zelltypen produziert, welche für diesen Zweck konstruiert wurden. Ein Zelltyp ist ein Quadrom und wird durch die somatische Zellfusion zweier Hybridome erzeugt, wobei ein jedes Elternhybridom einen monoclonalen Antikörper produziert, wobei einer der monoclonalen Antikörper eine katalytische Aktivität für ein bestimmtes Substrat zeigt und der andere monoclonale Antikörper für ein bestimmtes Antigen spezifisch ist. Ein anderer Zelltyp ist ein Triom und wird durch die Fusion eines Hybridoms und eines Lymphocyten erzeugt, wobei jedes Antikörper produziert, wobei ein Antikörpertyp eine katalytische Aktivität zeigt und ein Antikörper für das Antigen spezifisch ist.According to one embodiment, the HCAbs are produced by cell types engineered for this purpose. One cell type is a quadroma and is generated by the somatic cell fusion of two hybridomas, each parent hybridoma producing a monoclonal antibody, one of the monoclonal antibodies having a exhibits catalytic activity for a particular substrate and the other monoclonal antibody is specific for a particular antigen. Another type of cell is a trioma and is produced by the fusion of a hybridoma and a lymphocyte, each producing antibodies, with one type of antibody exhibiting catalytic activity and one antibody being specific for the antigen.

Gemäß herkömmlicher Verfahren muß zur Herstellung eines Hybridoms, welches katalytische Antikörper sezemiert, die eine bestimmte Reaktion katalysieren können, zuerst ein Antigen hergestellt werden, welches strukturell einer energiereichen Zwischenproduktklasse ähnlich ist, die bei einer chemischen Umsetzung erwartet wird. Das Antigen oder Hapten ist häufig an ein größeres, antigenes Trägermolekül gebunden. Solche Antigene oder Haptene umfassen vorzugsweise ein Übergangszustandsanalog, wie einen Phosphonatester bei der Bildung eines Amid- oder Estermoleküls.According to conventional methods, to produce a hybridoma that secretes catalytic antibodies capable of catalyzing a particular reaction, an antigen must first be produced that is structurally similar to an energetic class of intermediate expected in a chemical reaction. The antigen or hapten is often bound to a larger antigenic carrier molecule. Such antigens or haptens preferably comprise a transition state analog, such as a phosphonate ester in the formation of an amide or ester molecule.

Erfindungsgemäß nützliche Trägermoleküle sind gut bekannt und sind im allgemeinen Proteine. Sie umfassen das Tetanus-Toxoid oder Schlüsselloch-Napfschnecken- Hämocyanin, Poly-L-lysin, Thyroglobulin, Albumine, Erythrocyten und ähnliches.Carrier molecules useful in the invention are well known and are generally proteins. They include tetanus toxoid or keyhole limpet hemocyanin, poly-L-lysine, thyroglobulin, albumins, erythrocytes and the like.

Verfahren zur Bindung von Trägermolekülen an das Antigen sind auf dem Fachgebiet gut bekannt (vgl. Wong S.H. in Chemistry of Protein Conjugation and Cross- Linking, CRC Press (1991)). Erfindungsgemäß nützliche Brückengruppen umfassen m-Maleimidobenzoyl-N-hydroxysuccinimidester, Glutaraldehyd, N-Hydroxysuccinimidylglutarylchlorid und N-Hydroxysuccinimidyladipoylchlorid.Methods for linking carrier molecules to the antigen are well known in the art (see Wong S.H. in Chemistry of Protein Conjugation and Cross-Linking, CRC Press (1991)). Bridging groups useful in the invention include m-maleimidobenzoyl-N-hydroxysuccinimide ester, glutaraldehyde, N-hydroxysuccinimidylglutaryl chloride and N-hydroxysuccinimidyladipoyl chloride.

Das Antigen-Träger-Konjugat wird zur Immunisierung von Tieren verwendet, um eine Population von Milzzellen vorzusehen, welche den gewünschten Antikörper produzieren. Die Immunisierung kann durch herkömmliche in vivo-Verfahren ausgeführt werden. Anschließend werden die Splenocyten mit Zellen einer der im Handel erhältlichen Myelomzellinien, wie SP2/O, erhältlich von der ATCC, fusioniert. Die Überstände einzelner Kulturen werden unter Verwendung eines Mittels beziehungsweise einer Einrichtung, wie eine Platte mit 96 Vertiefungen, an die bzw. an deren Vertiefungen ein Antikörper gegen Immunglobulin gebunden wurde, auf eine Antikörperantwort durchmustert. Die Überstände werden in den Platten während eines Zeitraums inkubiert, der für den Antikörper in den Überständen ausreichend ist, um an die Platte zu binden. Im Anschluß daran wird das Substrat, welches von einem Antikörper mit der gewünschten katalytischen Aktivität gespalten wird, zu den Platten bzw. Vertiefungen zugegeben und inkubiert. Die Platten werden regelmäßig auf Anzeichen einer katalytischen Aktivität untersucht. Positive Clone werden vermehrt und weiterhin auf Anzeichen einer hydrolytischen oder katalytischen Aktivität mit dem gewiinschten Substrat beurteilt.The antigen-carrier conjugate is used to immunize animals to provide a population of spleen cells that produce the desired antibody. Immunization can be carried out by conventional in vivo methods. The splenocytes are then fused with cells from one of the commercially available myeloma cell lines, such as SP2/O, available from the ATCC. The supernatants from individual cultures are screened for an antibody response using a means such as a 96-well plate to which an antibody to immunoglobulin has been bound. The supernatants are incubated in the plates for a time sufficient for the antibody in the supernatants to bind to the plate. Subsequently, the substrate, which is cleaved by an antibody having the desired catalytic activity, is added to the plates and incubated. The plates are periodically examined for signs of catalytic activity. Positive clones are propagated and further evaluated for signs of hydrolytic or catalytic activity with the desired substrate.

Getrennt davon wird ein Fusionspartner entwickelt, welcher entweder ein Hybridom, das monoclonale Antikörper produziert, welche spezifisch an ein gewünschtes Antigen binden, oder eine Milzzelle aus einem mit dem gewünschten Antigen immunisierten Tier ist.Separately, a fusion partner is developed, which is either a hybridoma that produces monoclonal antibodies that specifically bind to a desired antigen or a spleen cell from an animal immunized with the desired antigen.

Wie vorstehend erwähnt, können HCAbs durch die Erzeugung eines Trioms oder Quadroms erhalten werden. Einen monoclonalen Antikörper produzierende Hybridome werden in der üblichen Weise hergestellt.As mentioned above, HCAbs can be obtained by generating a trioma or quadroma. Monoclonal antibody-producing hybridomas are prepared in the usual manner.

Myelomzellmutanten, denen das Enzym Hypoxantin-Guanin-Phosphoribosyl- Transferase (HGPRT) fehlt, werden bevorzugt verwendet. Diese Zellen wachsen in Medium mit Hypoxantin, Aminopterin und Thymidin (HAT) nicht. Milzzellen enthalten HGPRT, aber können sich nicht kontinuierlich teilen. Folglich überleben nur Hybridome mit HGPRT (Hybridome fusioniert mit Milzzellen, d.h. Triome) in HAT-Medium. Solche Zellinien werden als HAT-resistent bezeichnet.Myeloma cell mutants lacking the enzyme hypoxantine-guanine phosphoribosyl transferase (HGPRT) are preferred. These cells do not grow in medium containing hypoxantine, aminopterin and thymidine (HAT). Spleen cells contain HGPRT but cannot divide continuously. Consequently, only hybridomas containing HGPRT (hybridomas fused with spleen cells, i.e. triomas) survive in HAT medium. Such cell lines are called HAT-resistant.

Diese Hybridome werden im allgemeinen vor einer weiteren Fusion auf eine HAT-Sensitivität rückselektiert.These hybridomas are generally backselected for HAT sensitivity before further fusion.

Die Rückselektion wird durch Züchten der Zellen in ansteigenden Konzentrationen von 8-Azaguanin (Ausgangskonzentration 1 mg/ml, ansteigend bis 20 mg/ml) in vollständigem Wachstumsmedium ausgeführt, um HGPRT-defiziente und mutierte Zellen anzureichern. Die HAT-Sensitivität kann unter Verwendung von Bromdesoxyuridin zur Induktion eines Thymidinkinase-Mangels auf ähnliche Weise erzeugt werden.Backselection is performed by growing cells in increasing concentrations of 8-azaguanine (starting at 1 mg/ml, increasing to 20 mg/ml) in complete growth medium to enrich for HGPRT-deficient and mutant cells. HAT sensitivity can be generated in a similar manner using bromodeoxyuridine to induce thymidine kinase deficiency.

Diese rückselektierten, Antikörper-produzierenden Hybridome können dann direkt mit Antikörper-sezernierenden Milzzellen aus einem mit dem Antigen immunisierten Tier fusioniert werden, wobei ein Triom erzeugt wird. Solche Triome können dann unter Verwendung von HAT-Medium selektiert werden.These back-selected antibody-producing hybridomas can then be directly fused with antibody-secreting spleen cells from an animal immunized with the antigen, creating a trioma. Such triomas can then be selected using HAT medium.

Zur Herstellung eines Quadroms wird üblicherweise eine Hybridomlinie mit einer HAT-Resistenz aufrechterhalten, und die andere Hybridomlinie wird auf eine HAT- Sensitivität rückselektiert und in einigen Fällen weiterhin auf eine Resistenz gegen biologische Inhibitoren oder cytotoxische Wirkstoffe modifiziert. Ouabain wurde am häufigsten verwendet, jedoch kann Emetin, Actinomycin und Neomycin ebenfalls verwendet werden. Auf diese Weise werden, wenn ein HAT-sensitives/Ouabain-resistentes Hybridom mit einem HAT-resistenten/Ouabain-sensitiven Hybridom fusioniert wird, Quadrome hergestellt, welche sowohl HAT- als auch Ouabain-resistent sind und deshalb leicht identifiziert werden.To produce a quadroma, one hybridoma line with HAT resistance is usually maintained and the other hybridoma line is back-selected for HAT sensitivity and, in some cases, further modified for resistance to biological inhibitors or cytotoxic agents. Ouabain has been most commonly used, but emetine, actinomycin and neomycin can also be used. In this way, when a HAT-sensitive/ouabain-resistant hybridoma is fused to a HAT-resistant/ouabain-sensitive hybridoma, quadromas are produced that are both HAT and ouabain resistant and are therefore easily identified.

Ein rekombinantes Expressionssystem kann ebenfalls zur Herstellung der erfindungsgemäßen HCAbs verwendet werden, indem durch rekombinante Vektoren transformierte Zellen kultiviert werden. Schwere und leichte Antikörperketten können neu konstruiert werden, um eine selektive Komplementarität sowie die Bindung der relevanten Gene an ein einzelnes Chromosom vorzusehen. Es wird in der Tat erwartet, daß ein re kombinantes System ein stabileres System für die Expression von HCAbs wäre und als Vehikel für die Expression von komplementaritätsbestimmenden Regionen aus den variablen Domänen anderer Antikörperspezifitäten dienen würde.A recombinant expression system can also be used to produce the HCAbs of the invention by culturing cells transformed by recombinant vectors. Heavy and light antibody chains can be re-engineered to provide selective complementarity as well as binding of the relevant genes to a single chromosome. Indeed, it is expected that a recombinant system would be a more stable system for the expression of HCAbs and would serve as a vehicle for the expression of complementarity-determining regions from the variable domains of other antibody specificities.

Das eine jede der variablen Domänen umfassende HCAb-Molekül ist ein Produkt der Aneinanderlagerung von zwei Polypeptidkettentypen (schwer und leicht), welche durch verschiedene Gene codiert werden. Wie gut bekannt ist, weisen die Gene, welche normalerweise die Synthese einer jeden Kette codieren, eine komplexe Organisation auf, worin die erforderlichen Nucleinsäurebasenpaarsequenzen in einer diskontinuierlichen, linearen Anordnung vorkommen. Das heißt, daß die genetische Information, welche für die Expression der zur Konstruktion der intakten schweren oder leichten Kette benötigten Elemente erforderlich ist, durch dazwischenliegende, nicht exprimierte, genetische Information getrennt ist. Die zur Expression des Gens für die schwere Kette erforderliche genetische Information umfaßt Informationen für die Promotor-Sequenz, eine davon getrennte Leader-Sequenz, eine kurze Diversitätssequenz, eine kurze Verbindungssequenz, eine konstante Sequenz und Terminationscodons; im Vergleich dazu umfaßt die Anordnung des Gens der leichten Kette Informationen für die Promotorsequenz, Trenn- und Terminationscodons. Das Transkript mRNA (d.h. Boten-Ribonudeinsäure) des Immunoglobulingens besteht aus einer linearen, kontinuierlichen Anordnung der komplementären Ribonucleinsäuresequenzen. Ein rekombinanter Expressionsvektor, welcher die Expression der kontinuierlichen Sequenz codiert, könnte durch reverse Transkription der Boten-Ribonucleinsäure in Desoxyribonudeinsäure hergestellt werden. Der Expressionsvektor ist so konstruiert, daß er selektive Marker enthält und die Expression sowohl der schweren Ketten als auch der leichten Ketten innerhalb eines HCAb vorsieht. Ferner wird die genetische Information durch Einschleusung der Gene, welche die Synthese der schweren und leichten Immunglobulinkette codieren, in ein zur Expression geeignetes Vehikel, wie Bakterien, Pilze, eine Insekten- oder Säugerzellkultur, exprimiert.The HCAb molecule comprising each of the variable domains is a product of the annealing of two types of polypeptide chains (heavy and light) encoded by different genes. As is well known, the genes that normally encode the synthesis of each chain have a complex organization in which the required nucleic acid base pair sequences occur in a discontinuous, linear arrangement. That is, the genetic information required for the expression of the elements needed to construct the intact heavy or light chain is separated by intervening, unexpressed genetic information. The genetic information required for expression of the heavy chain gene includes promoter sequence information, a separate leader sequence, a short diversity sequence, a short junction sequence, a constant sequence, and termination codons; in comparison, the light chain gene arrangement includes promoter sequence information, junction and termination codons. The transcript mRNA (i.e. messenger ribonucleic acid) of the immunoglobulin gene consists of a linear, continuous array of complementary ribonucleic acid sequences. A recombinant expression vector encoding expression of the continuous sequence could be prepared by reverse transcription of the messenger ribonucleic acid into deoxyribonucleic acid. The expression vector is designed to contain selective markers and to provide for expression of both heavy and light chains within an HCAb. Furthermore, the genetic information is expressed by introducing the genes encoding immunoglobulin heavy and light chain synthesis into a suitable vehicle for expression, such as bacteria, fungi, insect or mammalian cell culture.

Die hier genannten Erfinder entwarfen ein Rekombinationsschema und geben eine allgemeine Beschreibung hiervon an. Kurz zusammengefaßt umfaßt das in Figur 1 veranschaulichte Expressionssystem eine Nucleotidbasensequenz zur Regulierung der Genexpression. Die Phosphoglycerat-Promotor-Sequenz wurde zur Regulierung der Synthese komplexer Moleküle, einschließlich Immunglobulin, verwendet und ist dem Fachmann bekannt. Der Promotor(P)-Sequenz schließt sich eine Ribosomenbindungsstelle (RB) an. Eine ein Startcodon (v.v. ATG) enthaltende Sequenz und eine Leader-Sequenz würden ebenfalls in das Gen eingebaut werden; die Sequenz TCT GCC CAA ATT ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Genexpression in Hefe als Leader-Sequenz bekannt, welche die Sekretion des Polypeptids bewirken kann. Der Leader-Sequenz schließen sich unmittelbar Sequenzen an, welche die variablen (V-) bzw. konstanten (C-) Domänen codieren. In dieser Anordnung wäre die proximale Orientierung der die variable Domäne codierenden Information eingeschlossen.The present inventors designed a recombination scheme and provide a general description thereof. Briefly, the expression system illustrated in Figure 1 comprises a nucleotide base sequence for regulating gene expression. The phosphoglycerate promoter sequence has been used to regulate the synthesis of complex molecules, including immunoglobulin, and is known to those skilled in the art. The promoter (P) sequence is followed by a ribosome binding site (RB). A sequence containing a start codon (v.v. ATG) and a leader sequence would also be incorporated into the gene; the sequence TCT GCC CAA ATT is known to those skilled in the art of gene expression in yeast as a leader sequence capable of causing secretion of the polypeptide. The leader sequence is immediately followed by sequences encoding the variable (V) and constant (C) domains, respectively. This arrangement would include the proximal orientation of the information encoding the variable domain.

Es ist gut bekannt, daß innerhalb der variablen Domänen sowohl der die schwere Kette als auch der die leichte Kette codierenden Gensequenzen hypervariable Sequenzen des genetischen Codes vorliegen. Außerdem codieren die hypervariablen Sequenzen komplementäre Peptidsequenzen oder komplementaritätsbestimmende Regionen (v.v. CDR) innerhalb der Antigene (hvs oder hvs') oder katalytische (HVS oder HVS') Bindungsspalten des HCAb-Immungobulinmoleküls. Regionen, welche diese hypervariablen Sequenzen enthalten, werden an beiden Enden von definierten Restriktionsenzymspaltstellen flankiert. Der Wert einer solchen Entwicklung ist, daß sie die Entfernung und den Austausch von CDRs in Blöcken oder "Kassetten" erlauben würde; der letztere Begriff wird im allgemeinen vom Fachmann verwendet, um die beweglichen Blöcke der genetischen Information zu bezeichnen. Diese Konstruktion erlaubt folglich zahllose Veränderungen der katalytischen oder antigenspezifischen Sequenzen und auch die Einschleusung von Sequenzen aus biologisch aktiven Molekülen, wie Enzymen.It is well known that within the variable domains of both the heavy chain and the light chain encoding gene sequences, hypervariable sequences of the genetic code exist. In addition, the hypervariable sequences encode complementary Peptide sequences or complementarity determining regions (vv CDR) within the antigen (hvs or hvs') or catalytic (HVS or HVS') binding clefts of the HCAb immunoglobulin molecule. Regions containing these hypervariable sequences are flanked at both ends by defined restriction enzyme cleavage sites. The value of such a design is that it would allow the removal and exchange of CDRs in blocks or "cassettes"; the latter term is generally used by those skilled in the art to designate the mobile blocks of genetic information. This design thus allows innumerable changes of the catalytic or antigen-specific sequences and also the introduction of sequences from biologically active molecules such as enzymes.

Die variable Domäne wird mit der konstanten (C) Domäne der leichten Kette oder der ersten konstanten (C1) Domäne der schweren Kette über kurze Elemente der Verbindungs(J oder DJ)-sequenz verknüpft, und zwar in einer Weise, daß die Expression der mit der bekannten Organisation des Immunglobulins vereinbaren Proteinstruktur bewirkt wird. Einige Sequenzen können in Übereinstimmung mit den Konstruktionsanforderungen verlängert oder verkürzt werden.The variable domain is linked to the constant (C) domain of the light chain or the first constant (C1) domain of the heavy chain via short elements of the joining (J or DJ) sequence in a manner that results in the expression of the protein structure consistent with the known organization of the immunoglobulin. Some sequences can be extended or shortened in accordance with design requirements.

Die Paarung der Immunglobulinketten innerhalb der Zelle kann statistisch erfolgen, wobei die Paarung der schweren Ketten und der leichten Ketten ohne Berücksichtigung der jeweiligen Antigenspezifitäten oder katalytischen Spezifitäten vor sich geht. Eine solche falsche Anlagerung kann die effiziente Gewinnung funktionell aktiver HCAbs vermindern. Als weitere Entwicklung werden die Gene, welche die ersten konstanten Domänen der schweren Ketten (CL' oder cl') und die konstante Domäne der leichten Ketten (CL oder cl) codieren, modifiziert, um selektiv komplementäre Sequenzen zwischen den entsprechenden Paaren aus einer schweren und leichten Kette vorzusehen.The pairing of immunoglobulin chains within the cell can occur randomly, with heavy chain and light chain pairing occurring without regard to their respective antigen specificities or catalytic specificities. Such misalignment can reduce the efficient recovery of functionally active HCAbs. As a further development, the genes encoding the first heavy chain constant domains (CL' or cl') and the light chain constant domain (CL or cl) are modified to selectively provide complementary sequences between the corresponding heavy and light chain pairs.

Eine eine Verbindungsregion ("hinge (H) region") codierende Sequenz ist eingeschlossen, gefolgt von der vollständigen zweiten konstanten Domäne (C2) der schweren Kette oder einem Teil hiervon. Wie bei der Paarung der leichten und schweren Kette, würden in entsprechender Weise selektiv komplementäre Sequenzen in den Code für die Synthese der schweren Kette eingefuhrt werden, um nur die Paarung der katalytischen (CH) Antikörperhälfte mit der antigenspezifischen (CH') Antikörperhälfte zu erlauben. Der Sequenz kann sich dann genetische Information, welche die dritte konstante Region (C3) codiert, gefolgt von einer Terminationssequenz, anschließen.A sequence encoding a hinge (H) region is included, followed by all or part of the second heavy chain constant domain (C2). As with the pairing of the light and heavy chains, complementary sequences would be selectively introduced into the code for heavy chain synthesis to allow only the pairing of the catalytic (CH) antibody half with the antigen-specific (CH') antibody half. The sequence can then be followed by genetic information encoding the third constant region (C3), followed by a termination sequence.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen HCAbs ist nicht auf in vivo-Expressionssysteme begrenzt. Biochemische Verfahren werden ebenfalls angewendet. Eines von ihnen, welches zur Herstellung eines erfindungsgemäßen HCAb angewendet wurde, umfaßte eine begrenzte Proteolyse und die Reduzierung der zwei verschiedenen Antikörper, wobei ein monoclonaler Antikörper ein katalytischer Antikörper ist, z.B. MOPC 167 (ohne weiteres erhältlich vom National Cancer Institute of the National Institutes of Health, Bethesda, MD. USA), und der andere ein beliebiger Antikörper mit einer spezifischen Bindungsaffinität für einen Analyt von Interesse ist, um unifunktionelle F(ab')- Hybride herzustellen, gefolgt von einer erneuten Aneinanderlagerung und Reoxidation, um Disulfidbrücken zwischen den Ketten zu erzeugen. Um die Bildung von HCAbs zu begunstigen, werden die Thiole eines Antikörper-F(ab')-Fragments mit Ellman's-Reagens oder mit dem bifunktionellen Vemetzungsmittel o-Phenylendimaleimid vor dem Mischen mit einer äquimolaren Menge des freie Thiole enthaltenden zweiten Antikörper-F(ab')- Fragments aktiviert.The production of the HCAbs of the invention is not limited to in vivo expression systems. Biochemical methods are also used. One of them, which was used to produce an HCAb of the invention, involved limited proteolysis and reduction of two different antibodies, one monoclonal antibody being a catalytic antibody, e.g. MOPC 167 (readily available from the National Cancer Institute of the National Institutes of Health, Bethesda, MD. USA), and the other being any antibody with a specific Binding affinity for an analyte of interest to produce unifunctional F(ab') hybrids, followed by reannealing and reoxidation to generate interchain disulfide bridges. To promote the formation of HCAbs, the thiols of one antibody F(ab') fragment are activated with Ellman's reagent or with the bifunctional crosslinking agent o-phenylenedimaleimide prior to mixing with an equimolar amount of the second antibody F(ab') fragment containing free thiols.

Die unter Anwendung eines beliebigen der vorstehend beschriebenen Verfahren erhaltenen erfindungsgemäßen HCAbs können mittels Affinitätschromatographie gereinigt werden. Die primäre Reinigung verwendet ein immobilisiertes Übergangszustandsanalog, wobei ein sekundärer Reinigungsschritt an einer immobilisierten Antigensäule erfolgt.The HCAbs of the invention obtained using any of the methods described above can be purified by affinity chromatography. The primary purification uses an immobilized transition state analog, with a secondary purification step occurring on an immobilized antigen column.

Der gereinigte HCAb kann dann für jede beliebige diagnostische Anwendung, wie ein Immunassay für den Analyt-Nachweis, welcher einen enzym-konjugierten Antikörper erfordert, wie z.B. u.a. Sandwichassay-Anordnungen, verwendet werden, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf beliebige spezifische Anordnungen oder Protokolle begrenzt. Auch können katalytischen Stellen aus vorhandenen Enzymen, wie die alkalische Phosphatase, durch die komplementaritätsbestimmenden Regionen innerhalb der katalytischen Antikörpermoleküle ersetzt werden.The purified HCAb can then be used for any diagnostic application, such as an immunoassay for analyte detection that requires an enzyme-conjugated antibody, such as sandwich assay arrangements, among others, and the present invention is not limited to any specific arrangements or protocols. Also, catalytic sites from existing enzymes, such as alkaline phosphatase, can be replaced with the complementarity determining regions within the catalytic antibody molecules.

Der hier verwendete Begriff "Festphasenträger" bezeichnet ein unlösliches Material, an das eine Komponente des Assays gebunden sein kann. Bekannte Materialien dieses Typs umfassen Kohlenwasserstoffpolymere, wie Polystyrol und Polypropylen, Glas, Metalle und Gele. Solche Träger können in Form von Kügelchen, Röhrchen, Streifen, Scheiben und ähnlichem vorliegen. Magnetische Teilchen werden für die Verwendung in den erfindungsgemäßen Assays besonders bevorzugt.As used herein, the term "solid phase support" refers to an insoluble material to which a component of the assay may be bound. Known materials of this type include hydrocarbon polymers such as polystyrene and polypropylene, glass, metals, and gels. Such supports may be in the form of beads, tubes, strips, disks, and the like. Magnetic particles are particularly preferred for use in the assays of the invention.

Derartige Antikörper können auch als Arzneimittel und bei Verfahren zur Behandlung von Krankheiten, umfassend Zielzellen mit antigenen Determinanten auf der Oberfläche, verwendet werden, wobei die katalytische HCAb-Einheit die therapeutische Aktivität vorsieht. Solche Krankheiten umfassen Krebserkrankungen, nicht-maligne Tumoren und ähnliche, falls der Antikörper gegenüber den erkrankten Zielzellen toxisch ist.Such antibodies may also be used as pharmaceuticals and in methods of treating diseases involving target cells having antigenic determinants on the surface, wherein the HCAb catalytic moiety provides the therapeutic activity. Such diseases include cancers, non-malignant tumors, and the like, if the antibody is toxic to the diseased target cells.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden, aber nicht begrenzenden Beispiele besser verständlich.The invention will be better understood by reference to the following, but non-limiting, examples.

Beispiel 1: Heterobifunktioneller, katalytischer Antikörper (HCAb), welcher für die esterspezifische Hydrolyse geeignet und für menschliches IgG spezifisch istExample 1: Heterobifunctional catalytic antibody (HCAb) suitable for ester-specific hydrolysis and specific for human IgG Herstellung von katalytische Antikörper produzierenden HybridomenProduction of catalytic antibody producing hybridomas

Acht Wochen alte, weibliche BALB/c-Mäuse werden auf einer zweiwöchigen Grundlage mit p-Aminophenylmethylphosphat, das über Hemisuccimid in der para-Position an das Tetanus-Toxoid gebunden ist, in unvollständigem Freundschem Adjuvans auf intraperitonealem Weg immunisiert. Die Mäuse werden nach 10 bis 20 Wochen durch zervikale Dislokation getötet und die Milzen chirurgisch entfernt.Eight-week-old female BALB/c mice are challenged on a two-week basis with p-aminophenylmethylphosphate linked to the tetanus toxoid via hemisuccimide in the para position in incomplete Freund’s adjuvant for immunized intraperitoneally. The mice are killed after 10 to 20 weeks by cervical dislocation and the spleens are surgically removed.

Die Milzen werden in eine Petrischale überführt, welche 5 ml Dulbecco's modifiziertes Eagle-Medium (DME) mit 100 µg/ml Gentamycin enthält. Die Splenocyten werden durch Auseinanderzupfen des Gewebes freigesetzt. Die Splenocyten werden einmal mit DME mittels Zentrifugation bei 250 g während 5 Minuten bei 18-25 ºC gewaschen und dann in einem Verhältnis von 5:1 mit gewaschenen SP2/O-Zellen, eine Plasmocytom- Zellinie, welche im Handel erhältlich ist, vereinigt.The spleens are transferred to a Petri dish containing 5 ml of Dulbecco's modified Eagle's medium (DME) with 100 µg/ml gentamicin. The splenocytes are released by plucking the tissue apart. The splenocytes are washed once with DME by centrifugation at 250 g for 5 minutes at 18-25 ºC and then combined in a ratio of 5:1 with washed SP2/O cells, a commercially available plasmacytoma cell line.

Die Zellen werden mittels Zentrifugation bei 200 g während 6 Minuten bei 18- 25ºC pelletiert, der überschüssige Überstand wird entfernt und die Zellen werden in 1 ml gepufferter 50%iger Polyethylenglykollösung resuspendiert. Die Zellen werden bei Raumtemperatur während 120 Sekunden vor dem Zentrifugieren bei etwa 400 x g während 6 Minuten inkubiert. Die Zellen werden dann bei 250 g während 5 Minuten bei 18-25ºC zentrifugiert, vorsichtig mit DME gewaschen, in Iscove's modifiziertem DME mit SP2/O- konditioniertem Medium resuspendiert und vorsichtig in eine 75 cm²-Flasche überführt.Cells are pelleted by centrifugation at 200 g for 6 minutes at 18-25ºC, excess supernatant is removed and cells are resuspended in 1 ml of buffered 50% polyethylene glycol solution. Cells are incubated at room temperature for 120 seconds before centrifugation at approximately 400 x g for 6 minutes. Cells are then centrifuged at 250 g for 5 minutes at 18-25ºC, gently washed with DME, resuspended in Iscove's modified DME with SP2/O conditioned medium and carefully transferred to a 75 cm2 flask.

Nach Inkubieren über Nacht bei 37ºC in einer 5%igen CO&sub2;-Atmosphäre werden die Zellen bis zu 2 x 10&sup6; Zellen/ml in konditioniertem Medium resuspendiert und in Platten mit 96 Vertiefungen überimpft (250 µl/Vertiefung). Nach 7-10 Tagen werden die Überstände wie folgt durchmustert. Flachboden-Polystyrolplatte mit 96 Vertiefungen werden über Nacht mit 100 mg/Vertiefung Ziege-anti-Maus-IgG vorsensibilisiert ("presensitized"). Die Platten werden gewaschen und anschließend bzw. die freien Bindungsstellen der Platten mit 1% Rinderserumalbumin (BSA) in 50 mM phosphatgepufferter Kochsalzlösung, pH 7,2, während 30 Minuten blockiert, gewaschen und ausgetrocknet. Ein 100 µl-Aliquot des Überstands wird zu einer jeden Vertiefung zugegeben.After incubation overnight at 37ºC in a 5% CO2 atmosphere, the cells are resuspended in conditioned medium to 2 x 106 cells/ml and seeded into 96-well plates (250 µl/well). After 7-10 days, the supernatants are screened as follows. Flat-bottomed 96-well polystyrene plates are presensitized overnight with 100 mg/well goat anti-mouse IgG. The plates are washed and then the free binding sites of the plates are blocked with 1% bovine serum albumin (BSA) in 50 mM phosphate-buffered saline, pH 7.2, for 30 minutes, washed and dried. A 100 µl aliquot of the supernatant is added to each well.

Das Substrat, p-Nitrophenylacetat, wird in einem neutralen oder phosphatfreien Puffer (15 mM Tris, 15 mM NaCl, pH 7,0) verdunnt, zu einer jeden Vertiefung zugegeben und während bis zu 24 Stunden inkubiert. Die Platten werden regelmäßig auf Anzeichen der Esterhydrolyse untersucht, die durch das Auftreten von freiem p-Nitrophenol, einem gelben Chromogen, gekennzeichnet ist. Positive Clone werden vermehrt und mit einem luminogenen Lumineszenzsubstrat, wie AMPPD, auf Anzeichen einer hydrolytischen Aktivität bewertet und das Lumineszenzsignal wird gemessen.The substrate, p-nitrophenyl acetate, is diluted in a neutral or phosphate-free buffer (15 mM Tris, 15 mM NaCl, pH 7.0), added to each well, and incubated for up to 24 hours. Plates are periodically examined for signs of ester hydrolysis, which is characterized by the appearance of free p-nitrophenol, a yellow chromogen. Positive clones are expanded and evaluated with a luminogenic luminescent substrate, such as AMPPD, for signs of hydrolytic activity, and the luminescent signal is measured.

Herstellung des FusionspartnersPreparation of the merger partner

Murine Hybridome, welche monoclonale Antikörper mit einer Antigenspezifität gegenüber menschlichem IgG sezernieren, werden Selektionsrichtlinien unterworfen, um einen geeigneten Fusionspartner zu erhalten. Zuerst werden Zellen, denen die Hypoxanthin-Phosphoribosyl-Transferase fehlt, wie folgt identifiziert. 108 exponentiell wachsende Zellen in Iscove's DMWM mit 20% fötalem Rinderserum werden geerntet, gewaschen und in 6,6 mM 8-Azaguanin enthaltendem Medium resuspendiert. Die Zellen werden in Gegenwart von 8-Azaguanin während etwa 24 Stunden gezüchtet oder bis etwa 80% der Zellen ihre Lebensfähigkeit verloren haben.Murine hybridomas secreting monoclonal antibodies with antigen specificity to human IgG are subjected to selection guidelines to obtain a suitable fusion partner. First, cells lacking hypoxanthine phosphoribosyl transferase are identified as follows. 108 exponentially growing cells in Iscove's DMWM with 20% fetal bovine serum are harvested, washed and resuspended in medium containing 6.6 mM 8-azaguanine. The cells are cultured in presence of 8-azaguanine for approximately 24 hours or until approximately 80% of the cells have lost viability.

Die Zellen werden dann gewaschen und in dem vorstehenden Kulturmedium, das frei von 8-Azaguanin ist, resuspendiert und kultiviert, bis sie eine Masse von etwa 10 g Zellen, bestimmt mittels Zellzählung, erreicht haben. Dieser Vorgang wird noch zweimal wiederholt. Die Zellen werden dann einer letzten Selektion in 8-Azaguanin durch Kultivieren während 5 Tagen in Gegenwart des Hemmstoffs unterzogen.The cells are then washed and resuspended in the above culture medium, free of 8-azaguanine, and cultured until they reach a mass of about 10 g of cells, determined by cell counting. This procedure is repeated two more times. The cells are then subjected to a final selection in 8-azaguanine by culturing for 5 days in the presence of the inhibitor.

Die Überprüfung des HGPRT&supmin;-Mangels wird durch Kultivieren in HAT enthaltendem Iscove's Medium bestatigt. Die Zellen werden dann auf eine Resistenz gegen Oubain weiter selektiert. Das Selektionsverfahren entspricht dem vorstehend für 8-Azaguanin beschriebenen. Zellen, die einen Antikörper gegen IgG exprimieren und die HGPRT&supmin; und Oubain-resistent sind, werden selektiert.Verification of HGPRT⊃min; deficiency is confirmed by culturing in Iscove's medium containing HAT. The cells are then further selected for resistance to oubain. The selection procedure is the same as that described above for 8-azaguanine. Cells expressing an antibody to IgG and resistant to HGPRT⊃min; and oubain are selected.

Fusion der HybridomeFusion of hybridomas

Die gemäß den zuvor beschriebenen Verfahren erhaltenen Hybridome werden fusioniert, indem sie in einem Verhältnis von 1:5 von Hybridom zu Zielzelle in 1 ml gepufferter 50%iger Polyethylenglykollösung vereinigt werden. Die Zellen werden bei Raumtemperatur während 120 Sekunden vor dem Zentrifugieren bei etwa 400 x g während 6 Minuten inkubiert. Alle Zellen werden zenrifugiert, vorsichtig mit DME gespült, in Iscove's modifiziertem DME mit SP2/O-konditioniertem Medium resuspendiert und vorsichtig in eine 75 cm²-Flasche überführt.The hybridomas obtained according to the methods described previously are fused by combining them in a 1:5 hybridoma to target cell ratio in 1 ml of buffered 50% polyethylene glycol solution. The cells are incubated at room temperature for 120 seconds before centrifugation at approximately 400 x g for 6 minutes. All cells are centrifuged, gently rinsed with DME, resuspended in Iscove's modified DME with SP2/O conditioned medium and carefully transferred to a 75 cm2 flask.

Nach Inkubieren über Nacht bei 37ºC und 5% CO&sub2; werden die Zellen bis zu 2 x 10&sup6; Zellen/ml in konditioniertem Medium verdünnt und in Platten mit 96 Vertiefungen (250 µl/Vertiefung) überimpft. Nach 7-10 Tagen werden die Überstände unter Verwendung von Flachboden-Polystyrolplatten mit 96 Vertiefungen, die mit menschlichem IgG über Nacht vorsensibilisiert wurden, durchmustert. Die Platten werden gewaschen und anschließend bzw. die freien Bindungsstellen der Platten mit 1% Rinderserumalbumin (BSA) in 50 mM phosphatgepufferter Kochsalzlösung, pH 7,2, während 30 Minuten blockiert, gewaschen und ausgetrocknet. Ein 100 µl-Aliquot des Überstands wird zu jeder Vertiefung zugegeben und das Substrat, p-Nitrophenylacetat, verdünnt in neutralem oder leicht saurem phosphatfreiem Puffer, wird vor dem Inkubieren während bis zu 24 Stunden zugegeben. Die Platten werden regelmäßig auf Anzeichen der Esterhydrolyse untersucht, die durch das Auftreten von freiem p-Nitrophenol, einem gelben Chromogen, gekennzeichnet ist. Positive Clone werden vermehrt und mit einem Lumineszenzsubstrat auf Anzeichen einer hydrolytischen Aktivität bewertet. Für Vertiefungen, welche eine Substratumwandlung zeigen, wird nachgewiesen, daß sie Hybriddone enthalten, die sowohl das Antigen erkennen (d.h. in dem Fall menschliches IgG) als auch das davon verschiedene Substrat spalten.After incubation overnight at 37ºC and 5% CO2, cells are diluted to 2 x 106 cells/ml in conditioned medium and seeded into 96-well plates (250 µl/well). After 7-10 days, supernatants are screened using flat-bottomed 96-well polystyrene plates presensitized overnight with human IgG. Plates are washed and then the free binding sites of the plates are blocked with 1% bovine serum albumin (BSA) in 50 mM phosphate buffered saline, pH 7.2, for 30 minutes, washed and dried. A 100 µl aliquot of the supernatant is added to each well and the substrate, p-nitrophenyl acetate diluted in neutral or slightly acidic phosphate-free buffer, is added prior to incubation for up to 24 hours. Plates are examined periodically for signs of ester hydrolysis, which is characterized by the appearance of free p-nitrophenol, a yellow chromogen. Positive clones are expanded and evaluated with a luminescent substrate for signs of hydrolytic activity. Wells showing substrate conversion are determined to contain hybriddones that both recognize the antigen (i.e., in this case, human IgG) and cleave the distinct substrate.

Beispiel 2: HCAb mit Phosphorylcholin-Esterase-Aktivität und einer Affinität für menschliches IgGExample 2: HCAb with phosphorylcholine esterase activity and an affinity for human IgG

MOPC 167, ein allgemein verfügbarer Clon mit einer beschriebenen Phosphorylcholincarbonat-Spaltaktivität, beschrieben von Schultz et al. in Science 234 (1986), 1570, wird mit Hybridomen fusioniert, welche für menschliche IgGs spezifische Antikörper produzieren, wobei ein Quadrom erhalten wird.MOPC 167, a commonly available clone with a reported phosphorylcholine carbonate cleavage activity described by Schultz et al. in Science 234 (1986), 1570, is fused with hybridomas producing antibodies specific for human IgGs to yield a quadroma.

Der IgG-spezifische Clon wird auf eine gemeinsame 8-Azaguanin-Resistenz und eine Ouabain-Sensitivitat gemäß den in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren rückselektiert. Die Zellfusion wird wie vorher beschrieben ausgeführt. Nach dem Ausplattieren und Züchten in Kultur während mehreren Tagen werden die Zellüberstände unter Verwendung von Platten mit 96 Vertiefungen, welche mit gereinigtem menschlichem IgG sensibilisiert wurden, durchmustert. Der Kulturüberstand wird in die Platten überführt, während eines bestimmten Zeitraums inkubiert und mit einer gepufferten Lösung gewaschen.The IgG-specific clone is back-selected for shared 8-azaguanine resistance and ouabain sensitivity according to the procedures described in Example 1. Cell fusion is performed as previously described. After plating and growing in culture for several days, cell supernatants are screened using 96-well plates sensitized with purified human IgG. Culture supernatants are transferred to the plates, incubated for a specified period of time, and washed with a buffered solution.

S-Acetylthiocholin (d.h. das Substrat), das durch den von MOPC 167 produzierten katalytischen Antikörper gespalten werden kann, wird zu den Platten zugegeben. Für Vertiefungen, welche eine Substratumwandlung zeigen, wird nachgewiesen, daß sie einen HCAb enthalten.S-acetylthiocholine (i.e., the substrate), which can be cleaved by the catalytic antibody produced by MOPC 167, is added to the plates. Wells showing substrate conversion are determined to contain an HCAb.

Beispiel 3: HCAb mit Phosphorylcholin-Esterase-Aktivität und einer Affinität für TheophyllinExample 3: HCAb with phosphorylcholine esterase activity and an affinity for theophylline

Der Clon 9-49 ist ein Hybridom, welches einen monoclonalen Antikörper gegen Theophyllin produziert, und ist von Sanofi Diagnostics Pasteur (Chaska, MN 55318, USA) erhältlich.Clone 9-49 is a hybridoma producing a monoclonal antibody against theophylline and is available from Sanofi Diagnostics Pasteur (Chaska, MN 55318, USA).

Jeder beliebige Theophyllin-spezifische monoclonale Antikörper kann in diesem Beispiel anstelle des monoclonalen Antikörpers 9-49 verwendet werden.Any theophylline-specific monoclonal antibody can be used in this example instead of monoclonal antibody 9-49.

Hybridomzellen des Clons 9-49 werden mit Zellen des Clons MOPC 167 fusioniert. Die Zellfusion wird wie zuvor beschrieben ausgeführt.Hybridoma cells of clone 9-49 are fused with cells of clone MOPC 167. The cell fusion is carried out as previously described.

Die Selektion der fusionierten Zellen, die Charakterisierung der katalytischen Aktivität und das Theophyllin-Bindungsvermögen des neu gebildeten HCAb (d.h. MOPC 167 x 9-49) wird genau wie in Beispiel 2 ausgeführt, außer daß mit Theophyllin vorsensibilisierte Mikroplatten (oder andere feste Träger) anstelle von mit Ziege-anti-Maus-IgG- vorsensibilisierten Platten verwendet werden.Selection of fused cells, characterization of catalytic activity and theophylline binding capacity of the newly generated HCAb (i.e., MOPC 167 x 9-49) is performed exactly as in Example 2, except that theophylline-presensitized microplates (or other solid supports) are used instead of goat anti-mouse IgG-presensitized plates.

Beispiel 4: Biochemische Herstellung eines HCAb mit Phosphorylcholin-Esterase- Aktivität und Theophyllin-AffinitätExample 4: Biochemical preparation of an HCAb with phosphorylcholine esterase activity and theophylline affinity

Herstellung der AntikörperProduction of antibodies

Sowohl MOPC 167 als auch 9-49 wurden in sensibilisierten BALB/c-Mäusen vermehrt.Both MOPC 167 and 9-49 were propagated in sensitized BALB/c mice.

Der MOPC 167-Antikörper wurde aus Aszitesflüssigkeit mittels Immunaffinitätschromatographie an Affigel G 10 mit gebundenem p-Aminophenylphosphorylcholin isoliert und mit mildem Pierce-Elutionspuffer eluiert.The MOPC 167 antibody was isolated from ascites fluid by immunoaffinity chromatography on Affigel G 10 with bound p-aminophenylphosphorylcholine and eluted with mild Pierce elution buffer.

Getrennt davon wurde der monoclonale Antikörper 9-49 mittels sukzessiver Fraktionierung unter Verwendung einer DE-S2-Whatman -Säule und 0,3 M Natriumphosphatpuffer, pH 7,2, gefolgt von einer Größenauftrennung über eine Sephacryl G-200-Säule, die mit 0,15 M PBS, pH 7,4, äquilibriert war, isoliert.Separately, monoclonal antibody 9-49 was isolated by successive fractionation using a DE-S2 Whatman column and 0.3 M sodium phosphate buffer, pH 7.2, followed by size separation on a Sephacryl G-200 column equilibrated with 0.15 M PBS, pH 7.4.

Herstellung von Fab-FragmentenProduction of Fab fragments

Eine jede der vorstehend erwähnten Antikörperpraparationen wurde über Nacht in 100 mM Natriumacetatpuffer, pH 4,3, bei 4ºC dialysiert. Um das am besten geeignete enzymatische Spaltverfahren zu bestimmen, wurde anschließend jeder Antikörper mit Magenpepsin vom Schwein in einem Mengenverhältnis von 100:1 bei 37ºC in Kontakt gebracht, wobei zu mehreren Zeitpunkten Proben entnommen und die Spaltprodukte mittels SDS-PAGE-Gelelektrophorese unter Verwendung eines Pharmacia PHAST-Systems analysiert wurden. Der optimale Umsetzungszeitraum für MOPC 167 betrug 4 Stunden bzw. 2 Stunden für 9-49.Each of the above antibody preparations was dialyzed overnight in 100 mM sodium acetate buffer, pH 4.3, at 4ºC. To determine the most appropriate enzymatic cleavage procedure, each antibody was then contacted with porcine gastric pepsin in a ratio of 100:1 at 37ºC, samples taken at several time points, and the cleavage products analyzed by SDS-PAGE gel electrophoresis using a Pharmacia PHAST system. The optimal conversion time for MOPC 167 was 4 hours or 2 hours for 9-49.

Die Antikörperpräparationen wurden entsprechend den beobachteten Optimalinkubationszeiträumen umgesetzt und die Umsetzung wurde durch Erhöhung des pH-Wertes auf 8 gestoppt. Die Spaltprodukte wurden dann in 200 mM Tris-HCL, pH 8,0, mit 10 mM EDTA über eine Biocryl -Matrix auf einem Pharmacia FPLC-System bei einer Durchflußgeschwindigkeit von 1 ml/min aufgetrennt. Die so erhaltene F(ab')&sub2;-Fraktion eines jeden Antikörpers wurde durch Zugabe von 2-Mercaptoethanol bis zu einer Endkonzentration von 20 mM weiter reduziert und während 30 Minuten bei 37ºC inkubiert; alle nachfolgenden Reaktionsschritte wurden bei 4ºC ausgeführt. Jedes so erhaltene Fab'-Fragment wurde von überschüssigem 2-Mercaptoethanol mittels Durchgang über eine Sephadex G-25-Säule, die mit 50 mM Natriumacetat, pH 5,3, mit 0,5 mM EDTA äquilibriert war, getrennt.Antibody preparations were reacted according to the optimal incubation times observed and the reaction was stopped by raising the pH to 8. The cleavage products were then separated in 200 mM Tris-HCl, pH 8.0, with 10 mM EDTA over a Biocryl matrix on a Pharmacia FPLC system at a flow rate of 1 ml/min. The resulting F(ab')2 fraction of each antibody was further reduced by the addition of 2-mercaptoethanol to a final concentration of 20 mM and incubated for 30 minutes at 37°C; all subsequent reaction steps were carried out at 4°C. Each resulting Fab' fragment was separated from excess 2-mercaptoethanol by passage through a Sephadex G-25 column equilibrated with 50 mM sodium acetate, pH 5.3, containing 0.5 mM EDTA.

Zwei Volumenteile der 9-49-Fab'-Fraktion wurden langsam mit einem Volumenteil von 12 mM o-Phenylendimaleimid, das in wasserfreiem Dimethylformamid gelöst war, vereinigt. Nach etwa 30 Minuten wurden die Reaktanten über eine Sephadex G-25- Säule, die mit 50 mM Natriumacetat, pH 5,3, mit 0,5 mM EDTA äquilibriert war, geleitet.Two volumes of the 9-49 Fab' fraction were slowly combined with one volume of 12 mM o-phenylenedimaleimide dissolved in anhydrous dimethylformamide. After approximately 30 minutes, the reactants were passed over a Sephadex G-25 column equilibrated with 50 mM sodium acetate, pH 5.3, containing 0.5 mM EDTA.

Herstellung von MOPC 167 x 9-49-HCAbProduction of MOPC 167 x 9-49-HCAb

Das modifizierte 9-49-Fab'-Fragment wurde mit dem MOPC 1 67-Fab'-Fragment in einem Verhältnis von 5:1 vereinigt, bis zu einer Proteingesamtkonzentration von etwa 5 mg/ml konzentriert und über Nacht bei etwa 4-5ºC inkubiert. Die so erhaltenen Reaktanten wurden durch eine 0,22 µm-Membran gefiltert und mittels Größenausschlußchromatographie über eine Sephacryl -Säule in Tris-HCL-Puffer, pH 8,0, mit EDTA getrennt (vgl. Figur 2). Der resultierende bifunktionelle Antikörper wurde aus der Größenausschlußsäule mit einem durchschnittlichen apparenten Molekulargewicht von etwa 120 kD) eluiert (der erste vertikale Balken in Figur 2), wie mit Molekulargwichtsstandards bestimmt wurde. Dieses Material wurde in den nachfolgenden Studien der Erfinder verwendet.The modified 9-49 Fab' fragment was combined with the MOPC 1 67 Fab' fragment in a ratio of 5:1, concentrated to a total protein concentration of approximately 5 mg/ml and incubated overnight at approximately 4-5°C. The resulting reactants were filtered through a 0.22 µm membrane and purified by size exclusion chromatography. on a Sephacryl® column in Tris-HCl buffer, pH 8.0, with EDTA (see Figure 2). The resulting bifunctional antibody was eluted from the size exclusion column with an average apparent molecular weight of approximately 120 kD (the first vertical bar in Figure 2), as determined with molecular weight standards. This material was used in the inventors' subsequent studies.

Beispiel 5: HCAb-AssaysExample 5: HCAb assays SubstratherstellungSubstrate production

p-Nitrophenylcarbonylcholin wurde aus p-Nitrophenylchlorformiat und Cholin unter wasserfreien Bedingungen gemäß dem Verfahren von Shokat et al. in Ann. Rev. Immunol. 8 (1990), 335, hergestellt. Das Reaktionsprodukt wurde gründlich mit trockenem Pyridin gespült. Nach der Entfernung des Lösungsmittels wurde festgestellt, daß das Reaktionsprodukt eine Schmelztemperatur von 158ºC aufweist und sich bei 160ºC zu einer gelben Flüssigkeit zersetzt. Dieses Material wurde weiterhin einer Analyse durch Massen- und Infrarotspektroskopie unterzogen.p-Nitrophenylcarbonylcholine was prepared from p-nitrophenylchloroformate and choline under anhydrous conditions according to the method of Shokat et al. in Ann. Rev. Immunol. 8 (1990), 335. The reaction product was rinsed thoroughly with dry pyridine. After removal of the solvent, the reaction product was found to have a melting temperature of 158ºC and to decompose to a yellow liquid at 160ºC. This material was further subjected to analysis by mass and infrared spectroscopy.

Enzym-Immunassay zum Nachweis des bifunktionellen AntikörpersEnzyme immunoassay for the detection of the bifunctional antibody

MOPC 167-, 9-49- und MOPC 167 x 9-49-Antikörperfraktionen und normales Maus-IgG wurden getrennt bis zu 10 µg/ml in 150 mM Tris, pH 8,0, mit 1% Rinderserumalbumin verdünnt. 1 ml Aliquot eines jeden verdünnten Antikörpers wurde mit 1 mg gewaschener, magnetischer Teilchen (Rhone Poulenc), die mit p-Aminophenylphosphorylcholin sensibilisiert worden waren, vereinigt. Nach 1 Stunde wurden die Teilchen mit dem Bindungspuffer gewaschen und mit 1 µg mit Theophyllin markierter alkalischer Phosphatase (Verhältnis 1:3) vereinigt. Nach einem Inkubationszeitraum von 15 Minuten bei Raumtemperatur wurden die Teilchen mit 100 mM Tris (pH 8,0) mit 0,05% FC-100, einem von der 3 M Corporation, St. Paul, USA, erhältlichem Tensid, gewaschen. Lumiphos , erhältlich von Lumigen (USA), wurde zu jedem Röhrchen zugegeben und das Signal in einem Berthold-Luminometer gemessen.MOPC 167, 9-49 and MOPC 167 x 9-49 antibody fractions and normal mouse IgG were separately diluted to 10 µg/ml in 150 mM Tris, pH 8.0, containing 1% bovine serum albumin. A 1 ml aliquot of each diluted antibody was combined with 1 mg of washed magnetic particles (Rhone Poulenc) sensitized with p-aminophenylphosphorylcholine. After 1 hour, the particles were washed with the binding buffer and combined with 1 µg of theophylline-labeled alkaline phosphatase (1:3 ratio). After an incubation period of 15 minutes at room temperature, the particles were washed with 100 mM Tris (pH 8.0) containing 0.05% FC-100, a surfactant available from 3 M Corporation, St. Paul, USA. Lumiphos, available from Lumigen (USA), was added to each tube and the signal measured in a Berthold luminometer.

Immunassay-Nachweis der katalytischen Umwandlung von p-NitrophenylcarbonylcholinImmunoassay detection of the catalytic conversion of p-nitrophenylcarbonylcholine

100 µg MOPC 167, 9-49, MOPC 167 x 9-49 oder normales murines IgG wurden getrennt mit 1 mg von entweder mit Theophyllin sensibilisierten oder mit Ziegen-Immunglobulin beschichteten magnetischen Teilchen während 2 Stunden gemischt. Die Teilchen wurden dann mit MOPC-Puffer (15 mM Tris, pH 7,0, mit 15 mM Natriumchlorid) gewaschen. p-Nitrophenylcarbonylcholin wurde bis zu einer Konzentration von 25 mM in MOPC-Puffer gelöst. Die Substratlösung wurde zu den mit einem Vortexgerät gemischten Teilchen zugegeben und bis zur Messung bei 29,3ºC inkubiert (vgl. Figur 3); 30 Sekunden vor einer jeden Messung wurden die Teilchen magnetisch getrennt und die Extinktion bei 410 um in einem Hewlett Packard -Diodenarray-Spektrophotometer abgelesen.100 µg of MOPC 167, 9-49, MOPC 167 x 9-49 or normal murine IgG were mixed separately with 1 mg of either theophylline-sensitized or goat immunoglobulin-coated magnetic particles for 2 hours. The particles were then washed with MOPC buffer (15 mM Tris, pH 7.0, containing 15 mM sodium chloride). p-Nitrophenylcarbonylcholine was dissolved in MOPC buffer to a concentration of 25 mM. The substrate solution was added to the vortexed particles and incubated at 29.3ºC until measurement (see Figure 3); 30 seconds Before each measurement, the particles were magnetically separated and the absorbance was read at 410 μm in a Hewlett Packard diode array spectrophotometer.

Fraktionen, einschließlich des Hauptanteils, welcher das 120 kD große Molekül und niedermolekulargewichtige Moleküle enthält, wurden auf das Vermögen getestet, gleichzeitig Theophyllin und ein Cholinderivat mittels den vorstehend beschriebenen Immunassay-Verfahren zu binden. Die Ergebnisse zeigten, daß die Fraktionen, welche im Durchschnitt ein Molekulargewicht von 120 kD aufwiesen, in der Lage waren, 85 bis 100% eines enzym-markierten Theophyllin-Konjugats an mit dem Cholinderivat sensibihsierten Teilchen zurückzuhalten, während der Pool mit dem nächst niedrigeren Molekulargewicht nur ein Drittel der insgesamt zugesetzten Konjugat-Aktivität zurückhielt. Es wird erwartet, daß diese Beobachtung die Verdünnung des intakten bifunktionellen Antikörpers und einen Anstieg an monofunktionellen Fab'-Fragmenten widerspiegelt.Fractions, including the major portion containing the 120 kD molecule and lower molecular weight molecules, were tested for the ability to simultaneously bind theophylline and a choline derivative using the immunoassay procedures described above. The results showed that fractions averaging 120 kD molecular weight were able to retain 85 to 100% of an enzyme-labeled theophylline conjugate on particles sensitized with the choline derivative, while the next lower molecular weight pool retained only one-third of the total added conjugate activity. This observation is expected to reflect dilution of the intact bifunctional antibody and an increase in monofunctional Fab' fragments.

In einem anderen Experiment wurde das bifunktionelle Antikörpermolekül in der umgekehrten Orientierung zu dem an die feste Phase gebundenen Theophyllin-Derivat gebunden. Figur 3 veranschaulicht die Geschwindigkeitszunahme der Substratumwandlung, welche mit dem den bifunktionellen Antikörper enthaltenden System verbunden ist, und daß keine Steigerung mit den in dem Assay eingeschlossen monofunktionellen Fab'- Fragmenten erkennbar ist. Es wurde keine Steigerung der Substratumwandlung beobachtet, wenn eine feste Phase verwendet wurde, der das Theophyllin-Derivat fehlte (nicht gezeigt); diese Beobachtung wurde als Bestätigung der Hypothese gedeutet, daß bei diesem Assay-Typ sowohl das Antigenziel als auch die Substratumwandlungsaktivitäten innerhalb des gleichen Moleküls verbunden sein müssen.In another experiment, the bifunctional antibody molecule was bound in the reverse orientation to the theophylline derivative bound to the solid phase. Figure 3 illustrates the rate increase in substrate conversion associated with the system containing the bifunctional antibody, and that no increase is seen with the monofunctional Fab' fragments included in the assay. No increase in substrate conversion was observed when a solid phase lacking the theophylline derivative was used (not shown); this observation was interpreted as confirming the hypothesis that in this type of assay, both the antigen target and the substrate conversion activities must be combined within the same molecule.

So zeigte das Antikörperprodukt der hier genannten Erfinder mit einem Molekulargewicht von etwa 120 kD ein doppeltes Erkennungsvermögen für Theophyllin und Cholinderivate (Figur 2) sowie die katalytische Umwandlung von p-Nitrophenylcarbonylcholin, wenn es gleichzeitig mit an Teilchen immobilisiertem Theophyllin assoziiert ist (Figur 3). Diese Kopplung ist insofern ungewöhnlich, als die Ausgangsantikörper vom A(K)- bzw. G1(k)-Isotyp waren.Thus, the antibody product of the present inventors with a molecular weight of about 120 kD showed dual recognition capacity for theophylline and choline derivatives (Figure 2) as well as the catalytic conversion of p-nitrophenylcarbonylcholine when simultaneously associated with theophylline immobilized on particles (Figure 3). This coupling is unusual in that the starting antibodies were of the A(K) and G1(k) isotypes, respectively.

Kompetitionsassay für ein AntigenCompetition assay for an antigen

Bei der Durchführung des Assays werden 200 µl antigenhaltiger Proben oder Standards in 10 mM Tris mit 5 µm KCN, pH 8,0, in 10 x 60 mm Borsilikat-Glasteströhrchen überführt. Zu jedem Reaktionsröhrchen werden 100 µl (0,1 µg) des HCAb zugegeben, der das Antigen spezifisch bindet und der eine Reaktion mit einem bestimmten Substrat katalysiert. Die Reaktanten werden während 15 Minuten bei 37ºC in einem Schüttelwasserbad unter Rühren bei etwa 60 Upm inkubiert. 50 µl der Teilchen werden zu dem Reaktionsgemisch zugegeben und unter Rühren während eines weiteren Zeitraums von 30 Minuten bei 37ºC inkubiert. Die Reaktion wird durch Sedimentieren während 2 Minuten in einem Magnetfeld gestoppt. Die Röhrchen werden zweimal mit 1 ml 50 mM Tris, 0,15 M NaCl, 0,1 % Triton X-100, pH 7,4, gespült. 200 ul Substrat werden zu jedem Röhrchen zugegeben und die Umsetzung wird durch eine statische Inkubation bei 37ºC während 5 Minuten initiiert. Die Röhrchen werden dann während 2 Minuten auf Raumtemperatur gekühlt und das resultierende Signal wird abhängig von dem verwendeten Substrat unter Verwendung eines Spektrophotometers oder eines Luminometers nachgewiesen.In performing the assay, 200 µl of antigen-containing samples or standards in 10 mM Tris with 5 µm KCN, pH 8.0, are transferred to 10 x 60 mm borosilicate glass test tubes. To each reaction tube is added 100 µl (0.1 µg) of the HCAb, which specifically binds the antigen and which catalyzes a reaction with a specific substrate. The reactants are incubated for 15 minutes at 37ºC in a shaking water bath with stirring at approximately 60 rpm. 50 µl of the particles are added to the reaction mixture and incubated with stirring for an additional period of 30 minutes at 37ºC. The reaction is stopped by sedimentation for 2 minutes in a magnetic field. The tubes are washed twice with 1 ml of 50 mM Tris, 0.15 M NaCl, 0.1% Triton X-100, pH 7.4. 200 µl of substrate is added to each tube and the reaction is initiated by a static incubation at 37ºC for 5 minutes. The tubes are then cooled to room temperature for 2 minutes and the resulting signal is detected using a spectrophotometer or a luminometer, depending on the substrate used.

Beispiel 6: Herstellung eines ArzneimittelsExample 6: Manufacture of a medicinal product

Erfindungsgemäße HCAbs können bei der Behandlung bestimmter Krankheiten mit zellgebundenen Zielen verwendet werden. Ein HCAb kann unter Anwendung der vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt werden, wobei ein Teil des Antikörpermoleküls einen einzigartigen Zellmarker (d.h. das carcinoembryonale Antigen (CEA)) erkennt und ein Teil des Antikörpermoleküls eine toxische Diphosphoribo-Transferase/NAD- Transferase-Aktivität (Diphtherie-Toxin) aufweist oder eine potentiell toxische Verbindung aktiviert.HCAbs of the invention can be used in the treatment of certain diseases with cell-bound targets. An HCAb can be prepared using the methods described above, wherein a portion of the antibody molecule recognizes a unique cellular marker (i.e., carcinoembryonic antigen (CEA)) and a portion of the antibody molecule has toxic diphosphoribotransferase/NAD-transferase activity (diphtheria toxin) or activates a potentially toxic compound.

Das Arzneimittel wird in einen Patienten mit der Krankheit injiziert und die Antikörpermoleküle binden an den Marker tragende Zellen. Bis zur Internalisierung des Antikörpers überträgt die katalytische Hälfte des Moleküls spezifisch Nicotinadenindinucleotide auf den Elongationsfaktor 2, woraufhin bestimmte wichtige Stoffwechselprozesse die Funktion einstellen, was den Tod der Zielzelle zur Folge hat.The drug is injected into a patient with the disease and the antibody molecules bind to cells bearing the marker. Until the antibody is internalized, the catalytic half of the molecule specifically transfers nicotine adenine dinucleotides to elongation factor 2, after which certain key metabolic processes cease to function, resulting in the death of the target cell.

Claims (10)

1. Heterobifunktioneller, katalytischer Antikörperc der in einem Diagnoseassay in der Weise eines enzym-markierten Antikörpers verwendbar ist,wobei der Antikörper eine konstante Region und zwei Fab-Fragmente umfaßt, wobei die variable Domäne des ersten Fab-Fragments eine innere katalytische Aktivität für ein Substrat zeigt und die variable Domäne des zweiten Fab-Fragments Antigenbindungsspezifizität für ein Antigen besitzt, wobei das Antigen von dem Substrat verschieden ist, derart, daß die katalytische Aktivität für das Substrat mit der Bindung des Antigens korreliert werden kann.1. A heterobifunctional catalytic antibody useful in a diagnostic assay in the manner of an enzyme-labeled antibody, the antibody comprising a constant region and two Fab fragments, the variable domain of the first Fab fragment exhibiting intrinsic catalytic activity for a substrate and the variable domain of the second Fab fragment having antigen binding specificity for an antigen, the antigen being different from the substrate, such that the catalytic activity for the substrate can be correlated with the binding of the antigen. 2. Heterobifunktioneller, katalytischer Antikörper nach Anspruch 1, wobei die konstante Region aus zwei konstanten Domänen besteht, die respektive mit jeder der variablen Domänen verbunden sind.2. Heterobifunctional catalytic antibody according to claim 1, wherein the constant region consists of two constant domains which are respectively linked to each of the variable domains. 3. Heterobifunktioneller, katalytischer Antikörper nach Anspruch 1, wobei die katalytische Aktivität des Antikörpers diejenige einer Phosphatase ist.3. Heterobifunctional catalytic antibody according to claim 1, wherein the catalytic activity of the antibody is that of a phosphatase. 4. Heterobifunktioneller, katalytischer Antikörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei der katalytische Teil des Antikörpers von dem MOPC 167-Antikörper abgeleitet ist.4. Heterobifunctional catalytic antibody according to claim 1 or 2, wherein the catalytic part of the antibody is derived from the MOPC 167 antibody. 5. Verfahren zur Herstellung eines heterobifunktionellen, katalytischen Antikörpers gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, umfassend:5. A process for producing a heterobifunctional, catalytic antibody according to claims 1 to 4, comprising: a) Fusionieren von Hybridomas, welche monoklonale, katalytische Antikörper produzieren mit entweder Lymphozyten oder Hybridomen, welche Antikörper gegenüber dem erwünschten Antigen oder Hapten produzieren,a) fusing hybridomas which produce monoclonal catalytic antibodies with either lymphocytes or hybridomas which produce antibodies against the desired antigen or hapten, b) Kultivieren der in a) erhaltenen Hybridzellen,b) culturing the hybrid cells obtained in a), c) Auswählen der Klone, welche gegen das Antigen oder Hapten gerichtete Antikörper produzieren und die katalytische Aktivität aufweisen.c) Selecting the clones which produce antibodies directed against the antigen or hapten and which exhibit catalytic activity. 6. Verfahren zur Herstellung eines heterobifunktionellen, katalytischen Antikörpers gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, umfassend:6. A process for producing a heterobifunctional, catalytic antibody according to claims 1 to 4, comprising: a) Transfektion in eine Zelle oder Mikroorganismus eines rekombinanten Expressionsvektors, dessen DNA die schweren und leichten Ketten des Antikörpers encodiert, so daß die erste variable Region des Antikörpers die erwünschte Antigen- oder Haptenspezifizität und die zweite variable Region die erwünschte katalytische Eigenschaft besitzt,(a) Transfection into a cell or microorganism of a recombinant expression vector whose DNA encodes the heavy and light chains of the antibody, so that the first variable region of the antibody has the desired antigen or hapten specificity and the second variable region has the desired has catalytic properties, b) Wachsenlassen der Zellen oder Mikroorganismen in der Weise, daß der Antikörper exprimiert wird,b) allowing the cells or microorganisms to grow in such a way that the antibody is expressed, c) Sammeln des Antikörpers.c) Collecting the antibody. 7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die DNA-Region, welche für die konstante Region des Antikörpers codiert, eine Sequenz umfaßt, welche die nachfolgende Anelierung der notwenigen Kombinationen aus leichte Kette/schwere Kette und schwere Kette/schwere Kette erzwingt.7. The method of claim 6, wherein the DNA region encoding the antibody constant region comprises a sequence that enforces subsequent annealing of the necessary light chain/heavy chain and heavy chain/heavy chain combinations. 8. Verfahren zur Herstellung eines heterobifunktionellen, katalytischenantikörpers gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, umfassend8. A process for producing a heterobifunctional, catalytic antibody according to claims 1 to 4, comprising a) Reduzieren der Disulfidbindungen, welche die zwei schweren Ketten eines katalytischen Antikörpers und diejenigen eines antigenbindenden Antikörpers verknüpfen,a) reducing the disulfide bonds linking the two heavy chains of a catalytic antibody and those of an antigen-binding antibody, b) Kombinieren der zwei Typen der resultierenden Ketten und Umsetzen dieser mit einem Vernetzungsmittel, welches fähig ist, schwere Ketten von Antikörpern neu anzuordnen, undb) combining the two types of resulting chains and reacting them with a cross-linking agent capable of rearranging antibody heavy chains, and c) Gewinnen neu angeordneter Antikörper, welche katalytische Eigenschaften gepaart mit einer Mfinität für das Antigen besitzen.c) Obtaining rearranged antibodies that possess catalytic properties coupled with a affinity for the antigen. 9. Verfahren zur Prüfung auf einen Analyt in einer Probe, umfassend:9. A method for testing for an analyte in a sample, comprising: a) Kontaktieren der Probe mit einer bekannten Menge eines heterobifunktionellen, katalytischen Antikörpers gemäß Anspruch 1, um den Antikörper den in der Probe vorliegenden Analyt binden zu lassen:a) contacting the sample with a known amount of a heterobifunctional, catalytic antibody according to claim 1 to allow the antibody to bind the analyte present in the sample: b) Abtrennen des gebundenen Antikörpers von ungebundenem Antikörper;b) separating bound antibody from unbound antibody; c) Messen des Ausmaßes der katalytischen Aktivität, welche mit entweder dem Analyt-Antikörper-Komplex oder der Menge an ungebundenem Antikörper assoziiert ist, durch Vermischen dieser mit dem Substrat, um die Menge des vorliegenden Analyts zu bestimmen.c) measuring the extent of catalytic activity associated with either the analyte-antibody complex or the amount of unbound antibody by mixing them with the substrate to determine the amount of analyte present. 10. Kit für ein Immunoassay, umfassend:10. An immunoassay kit comprising: - einen heterobifunktionellen, katalytischen Antikörper gemäß den Ansprüchen 1-4,- a heterobifunctional, catalytic antibody according to claims 1-4, - ein Substrat des katalytischen Antikörpers,- a substrate of the catalytic antibody, - ein Mittel beziehungsweise eine Einrichtung zur Bestimmung der Transformation des Substrats.- a means or device for determining the transformation of the substrate.
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